北京交通大學(xué)傳感器技術(shù)應(yīng)用課件

第一章現(xiàn)代信息技術(shù)：傳感器—采集—感官通信—傳輸—神經(jīng)計(jì)算機(jī)—處理—大腦傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的是汽車市場(chǎng)車用傳感器分3類：動(dòng)力系統(tǒng)傳感器（市場(chǎng)所占比例最大）、安全管理系統(tǒng)傳感器（防撞系統(tǒng)和壓力傳感器實(shí)現(xiàn)側(cè)氣囊控制）、車身舒適系統(tǒng)傳感器國(guó)產(chǎn)傳感器缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度低、分解能力差、信號(hào)精度不高、抗干擾性弱傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的器件或裝置。敏感元件：直接感受被測(cè)量。轉(zhuǎn)換元件：把敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電路參量。1.工作機(jī)理物理型采用物理效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換化學(xué)型采用化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換生物型采用生物效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換2.構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型物性型傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化以物質(zhì)某種客觀性質(zhì)、物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換3.能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而來(lái)能量控制型傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量控制基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出。常見(jiàn)的溫度傳感器：熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器、溫差電偶。壓力傳感器、濕度傳感器（主要包括電阻式和電容式兩種類別）、光電傳感器(光敏二極管和光敏三極管)、霍爾（磁性）傳感器、微機(jī)電傳感器傳感器發(fā)展趨勢(shì)1.提高與改善傳感器的技術(shù)性能：采用線性化技術(shù)、差動(dòng)技術(shù)、平均技術(shù)、補(bǔ)償與修正技術(shù)、零位法、微差法和閉環(huán)技術(shù)、屏蔽、隔離與干擾抑制、穩(wěn)定性處理穩(wěn)定化處理、集成化和智能化2.擴(kuò)展檢測(cè)范圍3.傳感器的集成化、功能化4.尋找新原理、新材料、新工藝及新功能5.傳感器網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除配備了一個(gè)或多個(gè)傳感器之外，還裝備了一個(gè)無(wú)線電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源（電池）。第二章傳感器的特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系傳感器分量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測(cè)量動(dòng)態(tài)量表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性。傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型用n次多項(xiàng)式來(lái)表示，直線擬合的方法：理論擬合、過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)連線擬合、端點(diǎn)平移擬合、最小二乘擬合傳感器的主要性能指標(biāo)：1.線性度（輸出量與輸入量之間的實(shí)際測(cè)量曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差）2.停滯（正反行程中輸入輸出曲線不重合的程度）3.靈敏度4.重復(fù)性（同一方向，連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)特性曲線不一致的程度）5、分辨力6、穩(wěn)定性（零點(diǎn)漂移）7、溫度穩(wěn)定性（溫度漂移）靜態(tài)特性的主要性能指標(biāo)：靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯、分辨力、精確度、量程、穩(wěn)定性最常用的是采用階躍輸入信號(hào)和正弦信號(hào)來(lái)研究傳感器的響應(yīng)特性第三章電阻式傳感器金屬電阻應(yīng)變片的工作原理：電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、精確度高；尺寸小、重量輕、簡(jiǎn)單；測(cè)量范圍大；適應(yīng)性強(qiáng)；便于多點(diǎn)測(cè)量；頻率響應(yīng)特性好。類型：金屬絲式（電阻系數(shù)高，電阻溫度系數(shù)小，強(qiáng)度高，延展性好，對(duì)銅的熱電勢(shì)盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好）箔式（絕緣性能好，參數(shù)分散性小，精度高，在應(yīng)變測(cè)量中應(yīng)用最廣泛）薄膜式（優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。缺點(diǎn)：耐磨性差、功率小、阻值不高）應(yīng)變式傳感器的組成彈性元件設(shè)計(jì)主要要求：靈敏度高，剛度夠足，線性好，固有振動(dòng)頻率高電阻應(yīng)變式力傳感器測(cè)量范圍廣精度高線性好工作性能穩(wěn)定、可靠應(yīng)變式傳感器傳感器精度高，穩(wěn)定性好，可拉壓兩用柱式力傳感器減小橫向力和彎矩的影響，并溫度補(bǔ)償且提高靈敏度。壓阻式傳感器第四章

電感式傳感器：利用線圈的自感與互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。分為自感式與互感式兩大類。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、零點(diǎn)穩(wěn)定、精度高、輸出功率大。

自感式傳感器：變氣隙型電感傳感器（只能用于微小位移測(cè)量）、截面型電感傳感器、螺管型電感傳感器（量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作和批量生產(chǎn)，使用最廣泛）

轉(zhuǎn)換電路：調(diào)幅電路、調(diào)頻電路、調(diào)相電路

諧振式調(diào)幅電路特點(diǎn)：靈敏度很高，但線性差

零點(diǎn)殘余電壓：銜鐵處于中間位置時(shí)，存在的最小輸出電壓，用e0表示。零殘電壓過(guò)大帶來(lái)的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大、測(cè)量有用的信號(hào)被淹沒(méi)，不再反映被測(cè)量變化造成放大電路后級(jí)飽和，儀器不能正常工作。零點(diǎn)參與電壓產(chǎn)生的原因：1.由于兩個(gè)二次線圈不完全相同，導(dǎo)致兩個(gè)二次線圈相位不同。2.一次線圈中存在銅損、鐵損、電容等，損耗使電流與磁通不同相，這些相位不同產(chǎn)生參與電壓。零點(diǎn)參與電壓的消除方法：保證線圈和磁路對(duì)稱、采用相敏檢波電路、選用補(bǔ)償電路電渦流。電渦流效應(yīng)：由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器。變壓器和交流電動(dòng)機(jī)的鐵心是用薄層絕緣漆或絕緣的氧化物的薄硅鋼片疊壓而成，目的是減小渦流，避免發(fā)熱。當(dāng)高頻（100kHz左右）信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個(gè)靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)H1。如被測(cè)導(dǎo)體置于該交變磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)（也稱趨膚效應(yīng)）。

集膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。

被測(cè)體材料、形狀、大小對(duì)靈敏度的影響1、被測(cè)體為圓盤狀物體的平面時(shí)，物體的直徑大

于線圈直徑的2倍以上，否則將使靈敏度降低；被測(cè)體為軸狀圓柱體的圓弧表面時(shí)

它的直徑應(yīng)大于線圈直徑的4倍以上。2、被測(cè)物體厚度為0.2mm。3、測(cè)量時(shí)，盡量避開(kāi)其它導(dǎo)體，以免干擾磁場(chǎng)，引起線圈的附加損失。電渦流探頭與被測(cè)金屬之間的互感量變化

可以轉(zhuǎn)換為探頭線圈的等效阻抗以及品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)的變化，因此測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為頻率、電壓、電流。相應(yīng)地有調(diào)頻法、調(diào)幅法和電橋法。

調(diào)頻式電路原理：將探頭線圈的電感量L與微調(diào)電容C0構(gòu)成LC振蕩器，以振蕩的頻率作為輸出量，此頻率可以通過(guò)f/v轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓，由表頭顯示，也可以將頻率信號(hào)（TTL）

送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)定時(shí)器，測(cè)量出頻率。

電感式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠；(2)靈敏度高，最高分辨力達(dá)0.1μm；

(3)測(cè)量精確度高，輸出線性度可達(dá)±0.1%；(4)輸出功率較大，在某些情況下可不經(jīng)放大，直接接二次儀表。其缺點(diǎn)是：(1)傳感器本身的頻率響應(yīng)不高，不適于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量；（2)對(duì)激磁電源的頻率和幅度的穩(wěn)定度要求較高;(3)傳感器分辨力與測(cè)量范圍有關(guān)，測(cè)量范圍大，

分辨力低，反之則高。

第五章電容式傳感器：以電容器為敏感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。分為變間隙型，變面積型，變介質(zhì)型。電容式位移傳感器的位移測(cè)量范圍位移測(cè)量范圍在1um——10mm之間，變極距式電容傳感器的測(cè)量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測(cè)量精度較高，其分辨率可達(dá)0.3um。優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可以非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差；寄生電容影響大。應(yīng)用：電容式壓力傳感器、利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位、指紋識(shí)別、傳聲器、濕敏電容應(yīng)用中存在的問(wèn)題：等效電路、邊緣效應(yīng)（為消除邊緣效應(yīng)，可采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)）、靜電引力、寄生電容（消除該影響，有驅(qū)動(dòng)電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù)）、溫度影響（溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、介質(zhì)的影響）。電容式傳感器將被測(cè)非電量變換為電容變化后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)：變壓器電橋、脈沖調(diào)寬電路、運(yùn)算放大器電路第六章傳感器信息融合（數(shù)據(jù)融合）：將經(jīng)過(guò)集成處理的多傳感器信息進(jìn)行合成，形成一種對(duì)外部環(huán)境或?qū)Ρ粶y(cè)對(duì)象某一特征的表達(dá)方式。經(jīng)過(guò)融合后的傳感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互補(bǔ)性、信息實(shí)時(shí)性、信息獲取的低成本性。優(yōu)點(diǎn)：增加了系統(tǒng)的生存能力、擴(kuò)展了空間覆蓋范圍、擴(kuò)展了時(shí)間覆蓋范圍、提高了可信度、降低了信息的模糊度、改善了探測(cè)性能、提高了空間分辨率、增加了測(cè)量空間的維數(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合功能定義：將來(lái)自多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)整合，以獲得目標(biāo)精確位置、身份，最后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行完整的評(píng)價(jià)。該定義的重點(diǎn)：多個(gè)傳感器對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量、重點(diǎn)是融合：相關(guān)、整合，目標(biāo)：狀態(tài)、身份、威脅評(píng)估。技術(shù)定義：充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)按時(shí)間序列獲得多傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一定的準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合、支配和使用。獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋和描述，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計(jì)，使系統(tǒng)獲得比它各組成部分更充分的信息?；驹恚撼浞掷枚鄠€(gè)傳感器資源，通過(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)備來(lái)進(jìn)行組合，以獲得比它的各組成部分的子集所構(gòu)成的系統(tǒng)更優(yōu)越的性能。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)和信息在不同層次上進(jìn)行綜合，它處理的不僅僅是數(shù)據(jù)，還可以是證據(jù)和屬性等。多傳感器數(shù)據(jù)融合并不是簡(jiǎn)單的信號(hào)處理。信號(hào)處理可以歸屬于多傳感器數(shù)據(jù)融合的第一階段，即信號(hào)預(yù)處理階段。數(shù)據(jù)融合處理的一般過(guò)程

數(shù)據(jù)融合常用算法：嵌入約束