《傳感器與檢測技術(shù)》學(xué)習(xí)資料

0傳感器與檢測技術(shù)概念傳感器的定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分轉(zhuǎn)換元件是指傳感器能將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。傳感器組成方框圖傳感器的分類按輸入量分類：位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器按工作原理分類：應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向：一是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)展新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象開發(fā)新材料采用微細(xì)加工技術(shù)研究多功能集成傳感器智能化傳感器新一代航天傳感器研究仿生傳感器研究1傳感器的特性傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)（*概念）線性度（書本5-7頁）遲滯：傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合。重復(fù)性：指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。靈敏度：傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。（書本8頁）分辨率：指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。多種抗干擾能力：傳感器對各種外界干擾的抵抗能力。例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等，評價這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。傳感器的動態(tài)特性指標(biāo)與階躍響應(yīng)有關(guān)的指標(biāo)：時間常數(shù)與頻率響應(yīng)特性有關(guān)的指標(biāo)：固有頻率和阻尼比2電阻式傳感器【1】電位器式電阻傳感器階梯特性（書本24-26頁）電刷與相鄰兩匝線圈相繼接觸時電阻突然增加，特性曲線出現(xiàn)階躍。局部剖面和階梯特性曲線圖應(yīng)用（*書本29-30）【2】應(yīng)變片式電阻傳感器電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值應(yīng)發(fā)生變化。設(shè)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則：

金屬絲伸長后幾何尺寸變化

結(jié)論：為電阻絲的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻的相對變化。它受兩個因素的影響：一是它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對某種材料來說，它是常數(shù)；另一個是，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的，對于金屬材料，其值也是常數(shù)，但往往比小很多，可以忽略，故對于金屬材料，靈敏系數(shù)將保持不變，即值是恒定的。因此：

可見，當(dāng)金屬電阻絲受到外界應(yīng)力的作用時，其電阻的變化與受到應(yīng)力的大小成正比。K與k0的關(guān)系靈敏系數(shù)k當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化ΔR/R。理論和實驗表明，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)ΔR/R與ε的關(guān)系滿足下式：定義k=(ΔR/R)/ε為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化(ΔR/R)與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變ε之比。

*應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)k0，一般情況下，k<k0,這是因為，在單向應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時，k除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測量的精度。因此，K值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下，通過實測來確定。應(yīng)用：一、應(yīng)變式測力傳感器二、應(yīng)變式壓力傳感器三、應(yīng)變式扭矩傳感器3電感式傳感器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對工作環(huán)境要求不高，分辨率較高（如在測量長度時一般可達(dá)0.1um）,示值誤差范圍的0.001—0.005，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)低，不宜用于快速動態(tài)測量。電感式傳感器種類很多，有利用自感原理做成的自感式傳感器（通常稱電感式傳感器）和利用互感原理做成的差分變壓器式傳感器。此外，還有利用渦流式傳感器、利用壓磁原理做成的壓磁式傳感器和利用互感原理做成的感應(yīng)同步器?！?】自感式傳感器：靈敏度及非線性（書本48頁）應(yīng)用（書本52-53）【2】渦流式傳感器：金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。應(yīng)用(書本65頁)【3】壓磁式傳感器：壓磁效應(yīng)；某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，某內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變。磁致伸縮：某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會產(chǎn)生變形，有些伸長，有些則壓縮。4電容式傳感器工作原理：由物理學(xué)可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為

式中ε--兩個極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；

εr--介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

ε0--真空介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）；

s--兩個極板相對有效面積；

d--兩個極板間的距離

優(yōu)點(diǎn)：1.溫度穩(wěn)定性好2.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)3.動態(tài)響應(yīng)好4.可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)缺點(diǎn)：1.輸出阻抗高，負(fù)載能力差2．寄生電容影響大3.輸出特性非線性應(yīng)用：1.差分式電容壓力傳感器2.電容式料位傳感器 3.電容式位移傳感器5磁電式傳感器磁電式傳感器是通過磁→電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器?！?】磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動式傳感器或感應(yīng)式傳感器，它是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢的原理工作的。（發(fā)電機(jī)原理）特點(diǎn)：不需要供電電源工作原理（書本88—90頁）動態(tài)特性分析（書本90—94頁）磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動勢，所以任何具有一定工作頻帶的電壓表或示波器都可以采用。并且由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號，就需配用積分電路或微分電路。應(yīng)用：一、磁電感應(yīng)式振動速度傳感器二、磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器【2】霍爾式傳感器霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量、如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻栃?yīng)：一塊長為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(磁場方向垂直于薄片)中，如圖5-20所示。當(dāng)有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾式傳感器是由霍爾元件所組成。6壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。某些晶體或陶瓷：

當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。

壓電材料：石英、鈦酸鋇陶瓷7光電式傳感器（重點(diǎn)）【1】光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。從傳感器的角度看光電效應(yīng)應(yīng)可分為兩大類型：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。紅限頻率：每一種物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值。光電管及光電倍增管的工作原理是基于外光電效應(yīng)。光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。模擬式光電傳感器的形式（書本137到138頁）：吸收式反射式遮光式輻射式【2】光纖傳感器光導(dǎo)纖維（書本140頁）光纖工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。功能型光纖傳感器可分為振幅調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型【3】電荷耦合器件（CCD——Charge-CoupledDevices）是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實驗室的W·S·Boyle和G·E·Smith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件CCD應(yīng)用：一、尺寸自動檢測二、缺陷檢測8熱電式傳感器（重點(diǎn)）熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達(dá)到測量目的?！?】熱電阻（基本特性）熱電阻測溫原理：大多數(shù)金屬的電阻率隨溫度升高而增大，即具有正溫度系數(shù)。

材料：鉑和銅、鐵和鎳、（銦電阻和錳電阻）分度表【2】熱電偶分度表熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）：熱電偶產(chǎn)生的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢?；芈分挟a(chǎn)生的電流稱為熱電流，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。測溫時結(jié)點(diǎn)1置于被測的溫度場中，稱為測量端(工作端、熱端)；結(jié)點(diǎn)2一般處在某一恒定溫度，稱為參考端(自由端、冷端)。

接觸電動勢（書本162頁）單一導(dǎo)體的溫差電動勢（書本163頁）***熱電偶基本定律（書本163到165頁）中間導(dǎo)體定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律【3】熱敏電阻電阻-溫度特性（書本172頁）熱敏電阻的特性線性化（書本174頁）11集成智能傳感器【1】單片集成化智能傳感器智能傳感器的定義：就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起。智能傳感器的功能具有自動調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能具有邏輯判斷和信息處理功能，能對被測量進(jìn)行信號調(diào)理或信號處理（對信號進(jìn)行預(yù)處理、線性化、或?qū)囟?、靜壓力等參數(shù)進(jìn)行自動補(bǔ)償）具有自診斷功能具有組態(tài)功能，使用靈活具有數(shù)據(jù)存儲和記憶功能，能隨時存儲檢測數(shù)據(jù)具有雙向通信功能智能傳感器的特點(diǎn)高精度寬量程多功能自適應(yīng)能力強(qiáng)高可靠性高性價比超小型化，微型化微功耗高信噪比【2】單片指紋傳感器生物識別技術(shù)的發(fā)展概況（書本212-213頁）三大特點(diǎn)：人各有異終身不變隨身攜帶現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展同時具備這三個特點(diǎn)的人體生物特征主要有指紋、虹膜（視網(wǎng)膜毛細(xì)血管分布圖）和人體細(xì)胞的遺傳基因（DNA）識別率：和其他生物識別系統(tǒng)一樣，指紋識別系統(tǒng)的識別正確率也不可能達(dá)到100%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)錯誤率即可比較識別率的高低。標(biāo)準(zhǔn)錯誤率有兩種表述方法，一種是錯誤接受率（FAR），它表示冒名頂替者可能進(jìn)入系統(tǒng)的百分比；另一種是錯誤拒絕率（FRR），即真正的注冊用戶不能進(jìn)入系統(tǒng)的百分比。12傳感器的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)是指沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20+-5攝氏度），相對濕度不大于85%，大氣壓力為7kPa的情況?？煽啃跃褪侵府a(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。14檢測技術(shù)基礎(chǔ)（***重點(diǎn)）檢測技術(shù)研究的主要內(nèi)容是被測量的測量原理、測量方法、測量系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理四個方面。偏差式測量、零位式測量和微差式測量

（1）偏差式測量

在測量過程中，用儀表指針的位移(即偏差)決定被測量的測量方法，稱為偏差式測量法。

此方法測量過程比較簡單，迅速，但精度較低。

壓力表（2）零位式測量

在測量過程中，用指零儀表的零位指示，檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測量系統(tǒng)達(dá)到平衡時，用已知的基準(zhǔn)量決定被測未知量的測量方法，稱為零位式測量法。

采用零位式測量法進(jìn)行測量時，優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測量精度。但是，測量過程比較復(fù)雜，在測量時，要進(jìn)行平衡操作，花費(fèi)時間長。僅適用于測量變化緩慢的信號。（3）微差式測量

微差式測量法是綜合了偏差式測量法與零位式測量法的優(yōu)點(diǎn)而提出的測量方法。這種方法是將被測的未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并取得差值，然后，用偏差法測得此差值。微差式測量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，而且測量精度高，它特別適用于在線控制參數(shù)的檢測。

測量數(shù)據(jù)處理方法：

1.測量誤差：就是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量的精度。

（1）絕對誤差：是指測量結(jié)果的測量值與被測量真實值(真值)之間的差值。（2）相對誤差：表示和比較測量結(jié)果的精確程度。（3）引用誤差：它是指測量儀表中相對儀表滿量程的一種相對誤差。電工儀表的精度等級就是用引用誤差大小劃分的我國電工儀表的精度等級大小分為七級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0。

2.誤差按其規(guī)律性分為三種，即系統(tǒng)誤差、偶然誤差和疏失誤差。系統(tǒng)誤差：當(dāng)我們對同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差包括儀器誤差、環(huán)境誤差、讀書誤差及由于調(diào)整不良、違反操作規(guī)程所引起的誤差。系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的原因工具誤差(又稱儀器誤差或儀表誤差)：由于測量儀表或儀表組成元件本身不完善所引起的誤差。方法誤差：指由于對測量方法研究的不夠所引起的誤差。

定義誤差：由于對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。

理論誤差：由于測量理論本身不夠完善、而只能進(jìn)行近似的測量所引起的誤差。

環(huán)境誤差：由于測量儀表工作環(huán)境(溫度、氣壓、濕度等)不是儀表校驗時的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，而是隨時間在變化，從而引起的誤差。

安裝誤差：由于測量儀表的安裝或放置不正確所引起的誤差。

個人誤差：個人誤差是指由于測量者本人不良習(xí)慣或操作不熟練所引起的誤差。

（2）偶然誤差：由大量偶然因素的影響而引起的測量誤{決定了測量的精密度、正態(tài)分布}（3）疏失誤差：由于測量者在測量時的疏忽大意而造成的，例如，儀表指示值被讀錯、記錯，儀表操作錯誤，計算錯誤等。疏失誤差的數(shù)值一般都比較大，沒有規(guī)律性。系統(tǒng)誤差、偶然誤差、疏失誤差之間的關(guān)系：在測量中，若系統(tǒng)誤差很小，稱測量的準(zhǔn)確度高，若偶然誤差很小，稱測量的精密度很高，若二者都很小，稱測量的精確度很高；在工程測量中，有疏失誤差的測量結(jié)果是不可取的；在測量中，系統(tǒng)誤差與偶然誤差的數(shù)量級必須相適應(yīng)，即偶然誤差很?。ū憩F(xiàn)為多次重復(fù)測量的測量結(jié)果